Experimental characterization of a low quadrature triaxial gyroscope

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) gyroscopes are inertial sensors designed to detect rotations. They are integrated into various applications that require precise motion detection. Due to their small size, their performance is often limited by fabrication imperfections that could alter and hide the real signal to be detected. One of the main sources of error is the mechanical quadrature, caused by non-perfectly vertical sidewalls, that couples in-plane and out-of-plane modes. Other sources of errors are variations in the etched width and thickness. These can affect operating conditions, leading to shifts in modal frequencies. These defects are studied by developing a numerical model of a MEMS gyroscope prototype, GkPar, designed to be robust against mechanical quadrature. Modal analysis is useful in characterizing the device in nominal condition and under variations in etched width and thickness. The systematic study of different structures up to their geometric extreme limits has characterized the corners of this analysis. Mechanical quadrature is numerically predicted, modeling non-vertical sidewalls in the structure. The impact of this error is determined by comparing it to the response of the device in operation. Numerical simulations are used to design the experimental campaign. An experimental chain is implemented to characterize each device in the same testing conditions. The results are then used to validate the numerical model. A model to predict the variations in etched width and thickness, minimizing the frequency error between the estimated and tested frequencies, turns out to be effective. The experimental campaign is designed to characterize each device's quadrature under the same working conditions. Thus, characterization of the drive and sense modes is essential. Finally, quadrature, etched width, and thickness variation are investigated across the wafer, clustering each device into internal and external ones. This approach is useful for characterizing imperfections in the fabrication process and validating the design approach robust to quadrature.

I giroscopi MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) sono sensori inerziali progettati per misurare rotazioni. Sono integrati all’interno di dispositivi che richiedono misure precise del movimento. A causa della loro ridotta dimensione, le loro prestazioni sono limitate da difetti di fabbricazione che possono alterare il segnale reale. Una delle principali fonti di errore è la quadratura meccanica, causata da pareti laterali non perfettamente verticali, che accoppiano i modi di vibrare in piano con quelli fuori piano. Altre fonti d'errore possono essere variazioni dalla larghezza delle incisioni e lo spessore. Questi difetti sono studiati tramite un modello numerico sviluppato per un giroscopio MEMS, chiamato GkPar, progettato per essere robusto al fenomeno di quadratura. L'analisi modale è stata fondamentale per caratterizzare il dispositivo in condizioni nominali, ma anche con variazioni dalla larghezza delle incisioni e dello spessore. Lo studio sistematico delle strutture con difetti di fabbricazione ha permesso di caratterizzare il rettangolo dell'analisi agli angoli. Invece, la quadratura meccanica è stata predetta modellando pareti laterali non perfettamente verticali. Il suo impatto è stato determinato numericamente confrontando l'errore di quadratura con la risposta del dispositivo in condizioni operative. Le simulazioni numeriche sono state usate per definire la campagna sperimentale. La catena di misurazione è stata implementata per caratterizzare ciascun modo nelle stesse condizioni operative e i suoi risultati utilizzati per validare il modello numerico. Un modello creato per predire la larghezza delle incisioni e lo spessore si è rivelato efficace nel minimizzare l'errore tra frequenze stimate e sperimentali. La campagna sperimentale è stata definita per valutare la quadratura di diversi dispositivi nelle stesse condizioni. A tal fine, ciascun modo di vibrare è stato testato. Infine, la quadratura, la larghezza delle incisioni e lo spessore sono stati valutati in diverse posizioni, dividendo ciascun dispositivo tra zone interne ed esterne. Questo approccio si è rivelato efficace nello studio dei difetti di fabbricazione e per validare questo approccio di progettazione robusto alla quadratura.